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鋼管桁架結(jié)構(gòu)在建筑中的應(yīng)用
鋼管桁架結(jié)構(gòu)是鋼管結(jié)構(gòu)中的重要一種，它是桁架結(jié)構(gòu)采用鋼管材料構(gòu)成的一種結(jié)構(gòu)形式，也稱鋼桁結(jié)構(gòu)、管桁架和管結(jié)構(gòu)。由于適應(yīng)性比較強，近年來在大跨空間結(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用。
管桁結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)體系為平面或空間桁架，與一般桁架的區(qū)別在于連接節(jié)點的方式不同：網(wǎng)架結(jié)構(gòu)采用螺栓球或空心球節(jié)點。過去的屋架經(jīng)常采用板型節(jié)點，而管桁結(jié)構(gòu)在節(jié)點處采用的是桿件直接焊接的相貫節(jié)點(或稱管節(jié)點)。在相貫節(jié)點處，只有在同一軸線上的兩個主管貫通。其余桿件(即支管)通過端部相貫線加工后，直接焊接在貫通桿件(即主管)的外表非貫通桿件在節(jié)點部位可能有一定間隙(間隙型節(jié)點)，也可能部分重疊(搭接型節(jié)點)。相貫線切割曾被視為是難度較高的制造工藝。因為交匯鋼管的數(shù)量、角度、尺寸的不同使得相貫線形態(tài)各異，而且坡口處理困難。但隨著多維數(shù)控切割技術(shù)的發(fā)展。這些難點已被克服。目前國內(nèi)一些企業(yè)裝備了這一技術(shù)，相貫節(jié)點管桁結(jié)構(gòu)在大跨度建筑中得到前所未有的應(yīng)用。
管桁架的分類。根據(jù)受力特性和桿件布置不同，可分為平面管桁結(jié)構(gòu)和空間管桁結(jié)構(gòu)。平面管桁結(jié)構(gòu)的上弦、下弦和腹桿都在同一平面內(nèi)，結(jié)構(gòu)平面外剛度較差。一般需要通過側(cè)向支撐保證結(jié)構(gòu)的側(cè)向穩(wěn)定。在現(xiàn)有管桁結(jié)構(gòu)的工程中，多采用Warren桁架和Pratt桁架形式，Warren桁架一般是最經(jīng)濟(jì)的布置，與Pratt桁架相比Warren桁架只有它一半數(shù)量的腹桿與節(jié)點，且腹桿下料長度統(tǒng)一，這樣可極大地節(jié)約材料與加工工時。Vierendeel桁架主要應(yīng)用于建筑功能或使用功能不容許布置支撐斜桿時的情況，空間管桁結(jié)構(gòu)通常為三角形截面，與平面管桁結(jié)構(gòu)相比，它能夠具有大的跨度，且三角形桁架穩(wěn)定性好，扭轉(zhuǎn)剛度大且外表美觀。在不布置或不能布置面外支撐的場合，三角形桁架可提供較大跨度空間。一組三角形桁架類似于一榀空間剛架結(jié)構(gòu)，且更為經(jīng)濟(jì)?？梢詼p少側(cè)向支撐構(gòu)件，提高了側(cè)向穩(wěn)定性和扭轉(zhuǎn)剛度。對于小跨度結(jié)構(gòu)，可以不布置側(cè)向支撐。
連接件的截面形式。常用的桿件截面形式為圓形、矩形、方形等。接連接構(gòu)件的不同截面可分為以下幾種桁架形式：C—C型桁架：即弦桿和腹桿均為圓管相貫的桁架結(jié)構(gòu)；R—R型桁架：即弦桿和腹桿均為方鋼管或矩形管相貫的桁架結(jié)構(gòu)；R—c型桁架：即矩形截面弦桿與圓形截面腹桿直接相貫焊接的桁架結(jié)構(gòu)。
管桁架的優(yōu)點。隨著大型公共建筑的發(fā)展，對結(jié)構(gòu)的空間和跨度的要求越來越高，空間鋼管桁架以其良好的承載和穩(wěn)定性能得到廣泛應(yīng)用。空間鋼管桁架的結(jié)構(gòu)形式按照桁架的截面形式可分為三角形空間桁架、四邊形空間桁架、多邊形空間桁架及變截面空間桁架等。鋼管結(jié)構(gòu)因其具有優(yōu)美的外觀、合理的受力特點以及優(yōu)越的經(jīng)濟(jì)性，在現(xiàn)代工業(yè)廠房、倉庫、體育館、展覽館、會場、航站樓、車站及辦公樓、商住樓、賓館等建筑中得到廣泛的應(yīng)用。
管桁架結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀及存在的問題。鋼管結(jié)構(gòu)的應(yīng)用最早起始于英國，隨后在20世紀(jì)80年代人們對鋼管結(jié)構(gòu)設(shè)計有了較深的認(rèn)識，并有了一些有關(guān)鋼管的正規(guī)出版物，如“CIDECTBook”。1985年后IIW又給出了焊接鋼管連接的疲勞設(shè)計，對其靜載焊接連接設(shè)計方法進(jìn)行了更新，出版了這一設(shè)計方法的第二版(IIW1989)。新的設(shè)計方法得到國際上的廣泛認(rèn)可，被許多國際組織采用，如歐洲規(guī)范Eurocode3、美國的AWS、以及CIDECT的設(shè)計指南等。桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計主要是外形尺寸、構(gòu)件尺寸及節(jié)點形式的設(shè)計。外形設(shè)計主要是桁架的總體布置、跨度、高度、節(jié)間距離、桁架間距及腹桿的布置，應(yīng)盡量減少連接數(shù)量I構(gòu)件尺寸的選擇與節(jié)點形式相關(guān)聯(lián)，應(yīng)通過節(jié)點承載力計算以及構(gòu)件強度及穩(wěn)定性驗算來確定。國內(nèi)外對于管桁架結(jié)構(gòu)的研究，主要集中在管節(jié)點的分析。因為節(jié)點的破壞往往導(dǎo)致與之相連若干桿件的失效。從而使整個結(jié)構(gòu)破壞。對管節(jié)點靜力性能的研究方法，主要有三類：試驗、解析理論和數(shù)值分析(有限元方法)。
試驗研究：起初，人們只能通過試驗來認(rèn)識管節(jié)點的承載性能，驗證設(shè)計方案。20世紀(jì)60年代，利用鋼模型進(jìn)行了各種管節(jié)點的靜載試驗和疲勞試驗。1974年首次進(jìn)行了空間管節(jié)點的模型試驗，測試了4個KK型管節(jié)點在軸力作用下的承載力。1990年測試了軸力作用下KK型空間管節(jié)點。近年來，管節(jié)點在民用建筑中的廣泛應(yīng)用，使管節(jié)點研究受到重視。沈祖炎等(1998)進(jìn)行了n個試件的K型管節(jié)點的模型試驗，檢驗了上海八萬人體育館懸挑主桁架的節(jié)點設(shè)計方案。
經(jīng)典解析理論研究：由于管節(jié)點是由幾個圓形鋼管焊接而成的結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于一個空間柱殼結(jié)構(gòu)，因此許多學(xué)者采用彈性圓柱殼理論來分析。由于管節(jié)點的邊界條件和幾何形狀復(fù)雜，給偏微分方程的求解帶來困難，在大量簡化假設(shè)基礎(chǔ)上的解析解與工程實際的差距較大。但這些研究加深了對管節(jié)點的了解程度，為以后的研究打基礎(chǔ)。
有限元計算：近年來，隨著計算機運算速度的不斷加快以及編程語言的發(fā)展，多運用有限元方法進(jìn)行管節(jié)點的極限承載力計算。劉建平運用有限元軟件ANSYS，對圓管T、Y、K型節(jié)點承受軸向荷載的極限承載力作了計算。賀東哲運用有限元軟件ADINA，以及自主開發(fā)的前后處理程序，研究了TT型圓管節(jié)點分別在軸力、平面內(nèi)彎矩和平面外彎矩的作用下的承載性能，并與已有公式進(jìn)行了比較。在此基礎(chǔ)上，提出了TT型圓管節(jié)點平面內(nèi)彎矩承載力半經(jīng)驗公式。傅振岐運用有限元方法分析了K型間隙矩形管節(jié)點支管截面的應(yīng)力分布、節(jié)點變形及節(jié)點參數(shù)對節(jié)點強度的影響，最后給出了節(jié)點極限承載力公式。有限元分析中一般采用VnoMISeS屈服準(zhǔn)則，并假定等向強化。近年來用連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)方法模擬裂縫的形成和擴(kuò)展，并建立了相應(yīng)斷裂準(zhǔn)則。
管桁結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)體系為平面或空間桁架，與一般桁架的區(qū)別在于連接節(jié)點的方式不同：網(wǎng)架結(jié)構(gòu)采用螺栓球或空心球節(jié)點。過去的屋架經(jīng)常采用板型節(jié)點，而管桁結(jié)構(gòu)在節(jié)點處采用的是桿件直接焊接的相貫節(jié)點(或稱管節(jié)點)。在相貫節(jié)點處，只有在同一軸線上的兩個主管貫通。其余桿件(即支管)通過端部相貫線加工后，直接焊接在貫通桿件(即主管)的外表非貫通桿件在節(jié)點部位可能有一定間隙(間隙型節(jié)點)，也可能部分重疊(搭接型節(jié)點)。相貫線切割曾被視為是難度較高的制造工藝。因為交匯鋼管的數(shù)量、角度、尺寸的不同使得相貫線形態(tài)各異，而且坡口處理困難。但隨著多維數(shù)控切割技術(shù)的發(fā)展。這些難點已被克服。目前國內(nèi)一些企業(yè)裝備了這一技術(shù)，相貫節(jié)點管桁結(jié)構(gòu)在大跨度建筑中得到前所未有的應(yīng)用。
管桁架的分類。根據(jù)受力特性和桿件布置不同，可分為平面管桁結(jié)構(gòu)和空間管桁結(jié)構(gòu)。平面管桁結(jié)構(gòu)的上弦、下弦和腹桿都在同一平面內(nèi)，結(jié)構(gòu)平面外剛度較差。一般需要通過側(cè)向支撐保證結(jié)構(gòu)的側(cè)向穩(wěn)定。在現(xiàn)有管桁結(jié)構(gòu)的工程中，多采用Warren桁架和Pratt桁架形式，Warren桁架一般是最經(jīng)濟(jì)的布置，與Pratt桁架相比Warren桁架只有它一半數(shù)量的腹桿與節(jié)點，且腹桿下料長度統(tǒng)一，這樣可極大地節(jié)約材料與加工工時。Vierendeel桁架主要應(yīng)用于建筑功能或使用功能不容許布置支撐斜桿時的情況，空間管桁結(jié)構(gòu)通常為三角形截面，與平面管桁結(jié)構(gòu)相比，它能夠具有大的跨度，且三角形桁架穩(wěn)定性好，扭轉(zhuǎn)剛度大且外表美觀。在不布置或不能布置面外支撐的場合，三角形桁架可提供較大跨度空間。一組三角形桁架類似于一榀空間剛架結(jié)構(gòu)，且更為經(jīng)濟(jì)?？梢詼p少側(cè)向支撐構(gòu)件，提高了側(cè)向穩(wěn)定性和扭轉(zhuǎn)剛度。對于小跨度結(jié)構(gòu)，可以不布置側(cè)向支撐。
連接件的截面形式。常用的桿件截面形式為圓形、矩形、方形等。接連接構(gòu)件的不同截面可分為以下幾種桁架形式：C—C型桁架：即弦桿和腹桿均為圓管相貫的桁架結(jié)構(gòu)；R—R型桁架：即弦桿和腹桿均為方鋼管或矩形管相貫的桁架結(jié)構(gòu)；R—c型桁架：即矩形截面弦桿與圓形截面腹桿直接相貫焊接的桁架結(jié)構(gòu)。
管桁架的優(yōu)點。隨著大型公共建筑的發(fā)展，對結(jié)構(gòu)的空間和跨度的要求越來越高，空間鋼管桁架以其良好的承載和穩(wěn)定性能得到廣泛應(yīng)用。空間鋼管桁架的結(jié)構(gòu)形式按照桁架的截面形式可分為三角形空間桁架、四邊形空間桁架、多邊形空間桁架及變截面空間桁架等。鋼管結(jié)構(gòu)因其具有優(yōu)美的外觀、合理的受力特點以及優(yōu)越的經(jīng)濟(jì)性，在現(xiàn)代工業(yè)廠房、倉庫、體育館、展覽館、會場、航站樓、車站及辦公樓、商住樓、賓館等建筑中得到廣泛的應(yīng)用。
管桁架結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀及存在的問題。鋼管結(jié)構(gòu)的應(yīng)用最早起始于英國，隨后在20世紀(jì)80年代人們對鋼管結(jié)構(gòu)設(shè)計有了較深的認(rèn)識，并有了一些有關(guān)鋼管的正規(guī)出版物，如“CIDECTBook”。1985年后IIW又給出了焊接鋼管連接的疲勞設(shè)計，對其靜載焊接連接設(shè)計方法進(jìn)行了更新，出版了這一設(shè)計方法的第二版(IIW1989)。新的設(shè)計方法得到國際上的廣泛認(rèn)可，被許多國際組織采用，如歐洲規(guī)范Eurocode3、美國的AWS、以及CIDECT的設(shè)計指南等。桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計主要是外形尺寸、構(gòu)件尺寸及節(jié)點形式的設(shè)計。外形設(shè)計主要是桁架的總體布置、跨度、高度、節(jié)間距離、桁架間距及腹桿的布置，應(yīng)盡量減少連接數(shù)量I構(gòu)件尺寸的選擇與節(jié)點形式相關(guān)聯(lián)，應(yīng)通過節(jié)點承載力計算以及構(gòu)件強度及穩(wěn)定性驗算來確定。國內(nèi)外對于管桁架結(jié)構(gòu)的研究，主要集中在管節(jié)點的分析。因為節(jié)點的破壞往往導(dǎo)致與之相連若干桿件的失效。從而使整個結(jié)構(gòu)破壞。對管節(jié)點靜力性能的研究方法，主要有三類：試驗、解析理論和數(shù)值分析(有限元方法)。
試驗研究：起初，人們只能通過試驗來認(rèn)識管節(jié)點的承載性能，驗證設(shè)計方案。20世紀(jì)60年代，利用鋼模型進(jìn)行了各種管節(jié)點的靜載試驗和疲勞試驗。1974年首次進(jìn)行了空間管節(jié)點的模型試驗，測試了4個KK型管節(jié)點在軸力作用下的承載力。1990年測試了軸力作用下KK型空間管節(jié)點。近年來，管節(jié)點在民用建筑中的廣泛應(yīng)用，使管節(jié)點研究受到重視。沈祖炎等(1998)進(jìn)行了n個試件的K型管節(jié)點的模型試驗，檢驗了上海八萬人體育館懸挑主桁架的節(jié)點設(shè)計方案。
經(jīng)典解析理論研究：由于管節(jié)點是由幾個圓形鋼管焊接而成的結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于一個空間柱殼結(jié)構(gòu)，因此許多學(xué)者采用彈性圓柱殼理論來分析。由于管節(jié)點的邊界條件和幾何形狀復(fù)雜，給偏微分方程的求解帶來困難，在大量簡化假設(shè)基礎(chǔ)上的解析解與工程實際的差距較大。但這些研究加深了對管節(jié)點的了解程度，為以后的研究打基礎(chǔ)。
有限元計算：近年來，隨著計算機運算速度的不斷加快以及編程語言的發(fā)展，多運用有限元方法進(jìn)行管節(jié)點的極限承載力計算。劉建平運用有限元軟件ANSYS，對圓管T、Y、K型節(jié)點承受軸向荷載的極限承載力作了計算。賀東哲運用有限元軟件ADINA，以及自主開發(fā)的前后處理程序，研究了TT型圓管節(jié)點分別在軸力、平面內(nèi)彎矩和平面外彎矩的作用下的承載性能，并與已有公式進(jìn)行了比較。在此基礎(chǔ)上，提出了TT型圓管節(jié)點平面內(nèi)彎矩承載力半經(jīng)驗公式。傅振岐運用有限元方法分析了K型間隙矩形管節(jié)點支管截面的應(yīng)力分布、節(jié)點變形及節(jié)點參數(shù)對節(jié)點強度的影響，最后給出了節(jié)點極限承載力公式。有限元分析中一般采用VnoMISeS屈服準(zhǔn)則，并假定等向強化。近年來用連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)方法模擬裂縫的形成和擴(kuò)展，并建立了相應(yīng)斷裂準(zhǔn)則。
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